掺和料对泡沫混凝土性能影响的试验研究

郭 慧 高 锐 周俊杰

（江西科技学院城市建设学院，江西 南昌330098）

0 引言

据报道，每生产1t水泥会排放0.83tCO2[1]，这给“碳达峰、碳中和”的目标造成了巨大的压力。合理使用矿物掺合料作为辅助胶凝材料，能降低水泥用量并改善混凝土的部分性能[2-6]，减少水泥用量。江西省每年因生产铜会产生几百万吨的铜矿渣，这些铜矿渣的堆存不但占用耕地，而且对环境也造成了潜在的危害，因此研究铜矿渣的资源化利用具有重要的意义。虽然国内外学者对铜矿渣在普通混凝土中的应用做了大量的研究[7-10]，但是关于铜矿渣在泡沫混凝土中的应用研究还较少。

泡沫混凝土广泛应用于保温隔热材料、地基的处理、采矿区的充填等方面[11-15]。研究制备铜矿渣泡沫混凝土，具有广泛的应用前景，这不仅能缓解铜矿渣废弃物的堆积存放压力，而且还能减少水泥的使用，达到节能减排的目的。本文通过设计试验分别制备出普通泡沫混凝土与铜矿渣泡沫混凝土，分析铜矿渣掺合料对泡沫混凝土性能的影响，为铜矿渣在泡沫混凝土中的应用提供理论依据。

1 原材料与试验方案

1.1 原材料

水泥为江西海螺水泥有限公司生产的P·O42.5级水泥，比表面积为356m2/kg；铜矿渣取材于江西铜业集团，在80℃的烘箱干燥4h后，经行星式球磨机研磨，所测铜矿渣粉的比表面积为540m2/kg。水泥和铜矿渣的化学组成如表1所示。

表1 水泥和铜矿渣的化学组成（单位：%）

砂为厦门艾思欧标准砂有限公司生产的标准砂；水为自来水；十二烷基硫酸钠为西陇化学股份有限公司生产，化学纯，记为WA；十二烷基苯磺酸钠为天津市恒兴化学试剂制造有限公司生产，分析纯，记为WB。浓缩型高效水泥发泡剂为郑州市鹏翼化工建材有限公司生产，外观为褐色黏稠液体，pH值范围为6～7，记为FA。LG-2258水泥发泡剂为山东优索化工科技有限公司生产，外观为无色至微黄色黏稠液体，pH值范围为6.5～7.5，记为FB。

1.2 试验方案

选择制备泡沫混凝土所需要的发泡剂与稳泡剂，设计试验配合比如表2所示，发泡剂、稳泡剂掺量分别为胶凝材料用量的2.0%、0.4%，根据所制备的泡沫混凝土的性能来进行发泡剂种类与稳泡剂种类的筛选。制备泡沫混凝土时，先把标准砂与胶凝材料混合，利用水泥胶砂搅拌机缓慢搅拌30s，然后缓慢加入水、稳泡剂、发泡剂的混合液体，慢搅至300s后停止。利用40mm×40mm×160mm的试模浇筑成型，在温度为20±2℃和相对湿度为70%±5%的条件下放置1d后从模具中取出，放入到快速养护箱中，用温度为20±2℃的清水养护至28d龄期。

表2 泡沫混凝土制备试验配合比

根据泡沫混凝土制备试验所选出的发泡剂与稳泡剂组合，利用铜矿渣粉取代20%的水泥制备铜矿渣泡沫混凝土，主要配合比如表3所示。FCM0、FCM20分别表示铜矿渣粉掺量为0、20%的泡沫混凝土。

表3 铜矿渣泡沫混凝土试验配合比

使用HYZ-300、10型恒加载水泥抗折抗压试验机，测试试件的抗折强度与抗压强度，首先测试3个40 mm×40mm×160mm试件的抗折强度，取3个测试值的平均值作为试件的抗折强度值，然后测被折断的半截试块的抗压强度值，取6个测试值的平均值作为试件的抗压强度值。

将泡沫混凝土试块烘干称出质量m1，再将烘干后的试块放入水中浸泡48h，称出浸泡后试块的质量m2，用排水法测出浸泡后试块的体积V0，最后通过公式（1）计算出干密度ρ，通过公式（2）计算出吸水率W。

2 试验结果与分析

2.1 发泡剂和稳泡剂对泡沫混凝土的影响

发泡剂和稳泡剂对泡沫混凝土抗压强度、抗折强度、干密度和吸水率的影响见图1所示。

图1 发泡剂和稳泡剂对泡沫混凝土性能的影响

由图1（a）可知，泡沫混凝土FM1、FM2、FM3和FM4的抗压强度分别为5.4MPa、2.1MPa、4.7MPa和5.7MPa，抗折强度分别为1.8MPa、1.1MPa、1.8MPa和1.9MPa，根据《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中关于强度等级的划分，泡沫混凝土FM1、FM2、FM3和FM4的抗压等级分别为C5、C2、C4和C5，可见试件FM1与FM4同属一个强度等级，抗压强度仅相差5.6%，抗折强度也仅相差5.6%，力学性能相差不大；试件FM2比FM1下降了3个强度等级，抗压强度下降了61.1%，抗折强度下降了38.9%，强度等级为4个试件中最低的；试件FM3比FM1下降了1个强度等级，抗压强度下降了13.0%，抗折强度相等；从泡沫混凝土的力学性能方面考虑，试件的强度越高则其力学性能越好，试件的优选顺序为FM4＞FM1＞FM3＞FM2。由图1(b)可知，试件FM1、FM2、FM3和FM4的 干 密 度 分 别 为1328kg/m3、1240kg/m3、1216kg/m3和1365kg/m3，都在1200～1400kg/m3之间，符合《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中干密度等级A14的要求，从泡沫混凝土干密度的角度考虑，试件的干密度越低则其保温隔热性能越好，试件的优选顺序为FM3＞FM1＞FM2＞FM4。试件FM1、FM2、FM3和FM4的吸水率分别11%、13%、19%和17%，根据《泡沫混凝土》（JG/T 266-2011）中关于吸水率等级的划分，泡沫混凝土FM1与FM2的吸水率等级为W15，FM3与FM4的吸水率等级为W20，从泡沫混凝土吸水性能方面考虑，试件的吸水率越低则其耐久性越好，试件的优选顺序为FM1＞FM2＞FM4＞FM3。综合图1（a）、（b）的测试分析结果，试件FM2的强度太低，不予采用；试件FM3的吸水率最高、干密度最低，并且强度低于试件FM1与FM4；试件FM1与FM4强度等级一样、干密度等级一样，但试件FM1比FM4的吸水率低了35.3%，因此试件FM1的综合性能优于FM4，试件的优选顺序为FM1＞FM4＞FM3。

综合上述分析结果，说明以FM1的配合比配制的泡沫混凝土综合性能较好，但是通过观察几组试件的表观形貌（如图2所示），试件FM1与FM3表面的孔洞分布并不均匀，试件FM4表面的孔洞分布最均匀，因此，综合泡沫混凝土的表观形貌与强度、干密度、吸水率这几项性能指标，选择FM4的配合比作为后续试验的基准配合比，水灰比为0.55，砂灰比为3，LG-2258水泥发泡剂（FB）作为发泡剂，掺量为胶凝材料用量的2.0%，十二烷基苯磺酸钠（WB）作为稳泡剂，掺量为胶凝材料用量的0.4%，配制的泡沫混凝土抗压强度为5.7MPa，干密度为1365kg/m3，吸水率为17%。

图2 发泡剂和稳泡剂对泡沫混凝土表观形貌的影响

2.2 铜矿渣对泡沫混凝土的影响

铜矿渣对泡沫混凝土28d抗压强度、抗折强度、干密度和吸水率的影响，如图3所示。由图3（a）可知，试件FCM0、FCM20的28d抗压强度分别为6.2MPa、2.9MPa，28d抗折强度分别为1.8MPa、1.1MPa，添加了20%的铜矿渣之后，泡沫混凝土FCM20比FCM0的抗压强度降低了53%、抗折强度降低了39%，这是由于水泥用量减少了20%，而铜矿渣的火山灰活性还没有被完全激发，从而导致混凝土的强度降低。汪波[16]研究发现铜渣前期火山灰活性非常弱，随着水泥水化产物Ca（OH）2的增多，铜渣中的活性物质才逐渐被激发，掺加铜渣的水泥胶砂的90d抗压强度高于28d抗压强度。杭美艳[17]研究发现当泡沫混凝土中添加超过一定量的掺合料时，气泡的破裂几率变大，连通孔隙增加，从而导致吸水率增加、强度降低；由图3（b）可见，泡沫混凝土FCM0、FCM20的干密度分 别 为1430kg/m3、1300kg/m3，吸 水 率 分 别 为12.5%、18.5%，可见添加了20%的铜矿渣之后，泡沫混凝土的干密度下降了9.1%、吸水率上升了48%，说明铜矿渣泡沫混凝土内部形成了较多的连通孔隙，因此会引起干密度降低与吸水率增加。

图3 铜矿渣对泡沫混凝土性能的影响

3 结束语

通过以上研究结果表明：选择LG-2258水泥发泡剂作为发泡剂，掺量为胶凝材料用量的2.0%，十二烷基苯磺酸钠作为稳泡剂，掺量为胶凝材料用量的0.4%，水灰比为0.55，砂灰比为3，以此配合比来制备泡沫混凝土，添加了20%的铜矿渣之后，28d龄期泡沫混凝土的力学性能降低、吸水性能提高。